Uma arma secreta na infecção por plantas: como os oomicetos usam a oxidação de carboidratos para evitar a imunidade das plantas

O que você pensaria se alguém lhe dissesse que ninjas e moldes de água têm algo em comum? Pode parecer absurdo, mas é o tipo de idéia que continuou correndo pela minha mente enquanto estávamos reunindo nosso trabalho durante meu projeto de doutorado.

A jornada para chegar a essa idéia começou em 2021 e se baseia no trabalho elementary do meu supervisor de doutorado, Prof. Maher Abou Hachem (DTU, Dinamarca). Sua colaboração com o cientista sênior Jean-Man Berrin (Inrae, França) levou à descoberta de uma enzima oxidante de oligossacarídeo dependente da moda peculiar do patógeno de cereais Fusarium Graminearumclassificado no Banco de dados CAZY Sob a família de atividades auxiliares 7 (AA7)¹. Seu perfil de estrutura e atividade exclusivos mantém um potencial biotecnológico significativo para bioconversão de resíduos lignocelulósicos, provocando um interesse renovado nessa família de enzimas. No entanto, uma pergunta mais ampla nos intrigou – além de sua relevância industrial, por que as enzimas AA7 parecem ser tão amplamente expressas em fungos, enquanto elas ocorrem conspicuamente em moldes de água patogênica infames?

Portanto, no início do meu doutorado, começamos a explorar o clado AA7 que abrigava nossa enzima anteriormente relatada de F. Graminearum¹. Curiosamente, todo esse clado estava brilhando com características intrigantes. Mais notavelmente, juntamente com inúmeras enzimas fúngicas-patógenos, identificamos um ramo atípico de sequências de Oomycota enriquecidas em 18 Phytophthora espécies. Por que isso foi emocionante? Oomycota é um filo distinto de moldes de água, incluindo alguns dos patógenos vegetais mais devastadores – particularmente espécies do Phytophthora gênero². Esses patógenos são famosos por causar a grande fome irlandesa² e por continuar a infligir grandes perdas de culturas em todo o mundo³. Esta conservação conspícua de Phytophthora As sequências AA7 dentro do mesmo clado que patógenos fúngicos notórios foram um ímã para a nossa curiosidade, sugerindo um importante papel biológico compartilhado.

Portanto, juntamente com quatro representantes de fungos, selecionamos quatro homólogos de Phytophthora Sojae Para uma caracterização bioquímica adicional. Por que P. Sojae? Porque, além de ser um patógeno devastador de soja responsável por cerca de 2 bilhões de dólares em perdas anuais em todo o mundo, é amplamente utilizado como uma espécie modelo em Phytophthora biologia⁴. Com a colaboração do especialista em RMN, Sebastian Meier (DTU, Dinamarca) e apoio de nossos colaboradores da Inrae (França), alcançamos uma caracterização profunda dessas novas enzimas AA7. Paralelamente, através da colaboração com o Prof. Jens Preben Morth (DTU, Dinamarca) e o trabalho do antigo PostDoc em nosso laboratório, Dr. Sanchari Banerjee (DTU, Dinamarca), resolvemos as estruturas cristalinas de duas enzimas AA7, incluindo uma de de P. Sojae. Este trabalho interdisciplinar reforçou a singularidade deste clado AA7, revelando pela primeira vez um 6-S-Cisteinil-FAD Structure. Inicialmente, ficamos felizes por ter descoberto as primeiras enzimas microbianas secretadas, capazes de oxidar o ácido galacturônico. Mas a verdadeira emoção surgiu quando demonstramos que o Phytophthora As enzimas foram capazes de oxidar exclusivamente os oligogalacturonídeos (OGs), derivados da pectina – o principal constituinte da lamela média que se junta às células vegetais. Mostramos que essas enzimas estão ativas nos OGs que consistem em 16 unidades de ácido galacturônico. Alguns leitores podem dizer: ‘Grande coisa!’ No entanto, nossa emoção foi estimulada pela atividade potente conhecida dos OGs desse tamanho. Por exemplo, os OGs liberados pela degradação da pectina durante a invasão de patógenos são detectados pelos receptores da planta como padrões moleculares associados a danos (DAMPs), que alertam a planta sobre o ataque de patógenos em andamento, desencadeando respostas imunes defensivas⁵. Este é um mecanismo de defesa essential, dado que as plantas carecem de imunidade adaptativa e, em vez disso, confiam em um sistema ‘sentinela’ para detectar e responder aos sinais de perigo. Através de discussões com o Dr. Jean-Man Berrin, iniciamos uma colaboração com o Phytophthora Especialista Prof. Suomeng Dong (Universidade Agrícola de Nanjing, China). Com sua equipe, mapeamos a expressão de enzimas ativas na pectina (pectinozome) em diferentes estágios de infecção. Surpreendentemente, genes distintos que codificam nossas oG oxidases recém-descobertas foram altamente co-expressas com as contrapartes que confiam a degradação do homogalacturonano da pectina durante a infecção precoce, sugerindo um papel importante nos estágios iniciais de infecção. A equipe do Prof. Dong realizou experimentos importantes usando sua tecnologia baseada em CRISPR de ponta para eliminar (KO) genes da OG oxidase. O fenótipo das cepas de KO foi avaliado em um modelo de infecção por soja, demonstrando uma diminuição significativa na carga de patógenos. Esses achados, combinados com a expressão em estágio inicial durante a infecção, nos levaram a hipótese de que as oxidases de OG prejudicam o reconhecimento de OGs por plantas infectadas. Oxidando OGs, P. Sojae interrompe o sistema de alerta precoce da planta, efetivamente “ofuscando”, desativando as respostas imunes mediadas por OG e, assim, facilitando uma infecção mais eficiente. Isso não soa como uma manobra furtiva direto de um filme ninja?

Além de aprofundar nossa compreensão de Phytophthora Estratégias de infecção, este trabalho altamente interdisciplinar fornece a primeira evidência de um in vivo Papel para as enzimas AA7. Por fim, essa descoberta não apenas avança nossa compreensão dos mecanismos de virulência de patógenos vegetais, mas também abre nossos olhos para uma nova estratégia de virulência. Trabalhos adicionais prometem desbloquear abordagens inovadoras para proteção de culturas.

Referências.

1. Haddad Momeni, M. et al. Descoberta de flavo-enzimas oxidantes de oligossacarídeos fúngicos com substratos anteriormente desconhecidos, perfis de redox-ativividade e interação com LPMOs. Nat Commun 122132 (2021).
2. Brasier, C., Scanu, B., Cooke, D. & Jung, T. Phytophthora: um conceito genérico antigo, histórico, biológico e estruturalmente coeso e evolutivamente bem -sucedido na necessidade de preservação. IMA fungo 1312 (2022).
3. FONES, HN et al. Ameaças à segurança alimentar world de patógenos emergentes de fungos e oomycete. NAT comida 1332-342 (2020).
4. Tyler, BM Phytophthora Sojae: Patogênio da rotação da raiz da soja e modelo OomyCete. Patologia Molecular Plant 81-8 (2007).
5. Pontiggia, D., Benedetti, M., Costantini, S., de Lorenzo, G. & Cervone, F. Amolecendo os úmidos: como as plantas mantêm a homeostase dos padrões moleculares da parede celular e evitam a hiper-imunidade. Frente. Plant Sci. 11613259 (2020).